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Sonntag, 22.01.2017
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Stören erwünscht

Postive Auswirkungen von Störungen auf chaotische Systeme nachgewiesen

Rauschen in der Leitung, in einem Fernsehbild oder bei einer Musikaufnahme sind lästig und kann diem eigentliche Information im Extremfall sogar überlagern und unbrauchbar machen. Auch in der Umwelt gelten Lärm oder andere Störungen meist als negativ. Doch jetzt haben Wissenschaftler auch nützliche Aspekte der Störfaktoren entdeckt.
Plankton

Plankton

Changsong Zhou und eine Gruppe von weiteren Physikern der Universität Potsdam studieren chaotische Systeme, auch als erregbare Medien bezeichnet. Das Feuern der Neuronen im Gehirn ist ebenso ein Beispiel für ein solches System wie das Wachsen und Eingehen von Planktonblüten im Ozean. Diese Systeme werden in der Regel erst dann erregt und aktiv, wenn ein Auslösefaktor über einen bestimmten Schwellenwert hinaus auf sie einwirkt. Sie folgen daher einem Alles oder Nichts-Prinzip: Zu geringe Signale werden komplett ignoriert, ein Überschreiten der Auslöseschwelle dagegen setzt sofort die volle Reaktion frei.

„Ein ähnliches, nicht-lineares, erregbares Verhalten findet sich auch in chemischen Reaktionen, bei denen äußerer Druck oder Licht die Reaktion in die eine Richtung verschieben kann anstelle einer anderen“, erklärt Zhou. Der Forscher und seine Kollegen haben jetzt festgestellt, dass Störungen dazu beitragen können, ein solches System zu kontrollieren: Selbst wenn der Auslösereiz noch unterhalb der kritischen Schwelle liegt, kann die Reaktion in Anwesenheit von Störfaktoren synchronisiert werden, wie die Wissenschaftler in einem Modell demonstrierten.

Die Ergebnisse, basierend auf einer Modellstudie, deuten darauf hin, dass das in vielen natürlichen Systemen gefundene oszillierende Verhalten nicht nur nicht vom „Hintergrundrauschen“ gestört, sondern sogar stabilisiert und erhalten wird. So können Störfaktoren in marinen Ökosystemen durch Temperaturveränderungen, vom Wind erzeugte Wellen, Schwankungen im Nährstoffgehalt des Wassers oder der Bewegung von Fischschwärmen das Wachstum des Planktons nachhaltig beeinflussen: Sie können eine Planktonblüte auslösen, selbst wenn die Bedingungen eigentlich unterhalb der Auslöseschwelle liegt und damit das gesamte System aktivieren zur Reaktion bringen.


Zhous Resultate deuten zudem darauf hin, dass solche Planktonblüten ohne das „Hintergrundrauschen“ in manchen Meeresregionen sogar überhaupt nicht oder zumindest nicht in ihrem üblichen saisonalen Zyklus stattfinden könnten. „Das Rauschen könnte essenziell für die Erhaltung der Stabilität und das Überdauern der marinen Ökosysteme sein“, so der Forscher. Diese Erkenntnisse könnten daher auch Umweltforschern helfen, giftige Algenblüten besser vorherzusagen oder sogar zu verhindern.

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte das „Rauschen“ auch eingesetzt werden, um chemische Reaktionen zu kontrollieren. „Zufällige Störungen“ in industriellen Mischtanks könnte beispielsweise gefördert werden um eine Reaktion effektiver zu machen und so den Ausschuss zu reduzieren. Für die Umwelt wäre daher in diesem Fall die Störung, der „Lärm“ ein echter Gewinn.
(Institute of Physics, 01.02.2005 - NPO)
 
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